Новости

ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ФОРМОВКА ПО ЛЕДЯНЫМ МОДЕЛЯМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОЧНЫХ МЕТАЛЛООТЛИВОК / 14.11.2012

к. т. н. Дорошенко В.С., dorosh@inbox.ru, ФТИМС НАН Украины

За последние десятилетия объем производства металлоотливок в странах СНГ уменьшился в 4-5 раз по сравнению с рекордными показателями 1985 года (Украина тогда была лидером в мире по выпуску отливок на душу населения). Основной причиной этого послужило многолетнее отставание в технологическом применении науки в литейных процессах на фоне отсутствия эффективной политики в области бизнеса, в частности, маркетинговых, логистических и инвестиционных процессов по организации производства, сбыта и экспорта отливок. При этом стабильно рос объем мирового производства отливок, в котором постепенно доля Китая превысила 43%. Очевидно, снижение объема продукции литейного производства стран СНГ и ряда других стран в основном компенсировано Китаем.
Одно из приоритетных научно-технических направлений в институте ФТИМС НАН Украины - инновационные крио-вакуумные технологии формовки посвящено решению задач экологизации, снижения ресурсоемкости процессов высокоточного литья в сочетании с компьютерным мониторингом и 3D-технологиями. Это направление касается междисциплинарных исследований с учетом интерпретации для литейных технологий понимания основополагающей роли продуктивности и скорости реальных процессов как одного из основных показателей их эффективности. Разрабатываемый процесс литья по ледяным моделям (ЛЛМ) в вакуумируемые песчаные формы включает операцию удаления разовой модели путем впитывания ее расплава в песок формы с сохранением на месте модели полости формы для последующей ее заливки расплавом металла. Присущая этому процессу операция фильтрации жидкости в песок позволяет отнести этот процесс к разновидности фильтрационной формовки.
В публикациях [1, 2] процесс получения песчаной формы с наличием фильтрации жидкости (компонента связующей композиции) в сухой песчаной смеси назван термином «фильтрационное формообразование». Однако, в ряде работ по литейному производству (например, [3]) и других термин «формообразование» означает также и обретение некоей геометрической или визуальной формы (в частности, элементом структуры металла). Чтобы его не спутать с процессом в виде перечня операций по изготовлению литейной формы как сосуда для литья, последний, по нашему мнению, точнее называть фильтрационной формовкой или формованием.
В публикации [2] описано, что в случае фильтрационной формовки в оснастку засыпают только сухой наполнитель, представляющий собой огнеупорный зернистый материал, плакированный гелеобразователем. Активированное электромагнитными импульсами жидкое связующее (для его «разжижения») вводят в наполнитель методом фильтрации через специальные отверстия в оснастке. Продвигаясь в межзерновом пространстве плакированного зернистого материала, пропитывающее жидкое связующее контактирует с гелеобразователем, химически отверждается, придавая прочность формовочной смеси. Фильтрацию усиливает вакуумирование наполнителя с остаточным давлением воздуха 10…80 кПа, при давлении порядка 50 кПа глубина перемещения фильтрующейся жидкости в сухом наполнителе без плакирования достигала 400 мм за 25 с без активирования и 450 мм за 17 с с активированием, а также порядка 200 мм в наполнителе с плакированием.
В нашем случае фильтрация при формовке по ледяным моделям решает задачу совмещения операций удаления (выплавления) модели из песчаной формы с пропиткой талой жидкостью от модели и последующим отвердением слоя сухого сыпучего наполнителя - образованием оболочковой формы, в которой талый материал модели служит носителем одного из компонентов пары «связующее – отвердитель», или инициирует другой механизм отвердения оболочки. При этом способы стабильного удержания песчаного слоя вокруг тающей модели подобны используемым в процессах вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемые песчаные формы, а также бурения скважин с промывочной жидкостью и другие. Эти способы включают принципы герметизации поверхностного слоя у полости формы, в частности, за счет его кольматации (закупоривания пор) добавками из материала модели, когда этот слой одновременно теряет проницаемость (подобно применению пленки при ВПФ) и заполняется нефильтратом из частиц, участвующих в отверждении оболочки, а также часто способствующих повышению ее противопригарных свойств.
В способах ЛЛМ обычно нет необходимости понижения вязкости фильтруемой жидкости (такие варианты были опробованы с добавлением ПАВ в материал ледяной модели), ведь падение текучести этой жидкости, уменьшает ее расход. Оболочковая форма в идеале, по мнению авторов, может состоять из герметизирующей пленки на упрочненном вакуумом песке как при ВПФ (как минимум), либо по толщине приближаться к яичной скорлупе и толще с достаточной прочностью для формовки с опорной засыпкой (вариант без извлечения из формы, где выполнена фильтрация), либо иметь достаточную прочность для заливания металлом без такой засыпки. А ледяная модель теоретически может приближаться по конструкции к пустотелой стеклянной елочной игрушке и по размерам быть в диапазоне от снежинки до ледяных блоков размером 0,25x0,5x1,0 м и весом до 150 кг, которые обычно производят для ледяных скульптур и которые несложно монтировать склеиванием водой в сборные конструкции. Наблюдаемые в продуктовых супермаркетах многометровые ряды холодильных столов с лотками, содержащими замороженные продукты размерами от горошины до мясной туши, дают основание полагать, что подобные ряды могут стоять в цехе ЛЛМ с моделями таких же размеров и замороженных до такой же температуры.
Перечень основных преимуществ процесса ЛЛМ.
1) Экологическая безопасность по сравнению с литьем по разовым моделям из органических материалов, при котором потери (в основном горение в помещении цеха) модельного материала за цикл обычно составляют 10…100%.
2) Дешевизна получения медяных изделий при современном уровне развития холодильных техники и технологии. Обычно расход электроэнергии составляет до 100 кВтч на производство 1 т льда. На замораживание ледяных моделей на 1 т отливок массой 1 кг из железоуглеродистых сплавов требуется до 50 кВтч электроэнергии при пятикратном снижении суммарных затрат на материалы и электроэнергию для получения форм под заливку при переходе от ЛГМ к ЛЛМ благодаря низкой стоимости модельных материалов, состоящих из воды не менее чем на 90% [4].
3) Сокращение продолжительности и трудоемкости изготовления оболочковой формы из одного слоя толщиной 3…10 мм по сравнению с такими же показателями при получении многослойных оболочек при традиционном литье по выплавляемым моделям. Отработка процесса формовки ведется со следующей последовательностью основных операций: засыпка и уплотнение сухой песчаной смеси в форме с моделью, герметизация пленкой и подключение к вакуум-насосу - за 3…6 мин., таяние модели в форме с фильтрацией ее жидкости, отверждением оболочки и удалением избытка жидкости из полости – за 10…20 мин. Затем форму направляют на заливку при вакуумировании формы, либо на подсушку и заливку, либо на извлечение оболочки из сыпучего песка и ее подсушку. Возможно применение теплоносителей, которые позволяют совмещать плавление модели с сушкой оболочки.
4) Благодаря низкой вязкости водной композиции по сравнению с воскообразными составами ледяная модель получает четкий отпечаток от пресс-формы, чему способствует расширение воды при замораживании, практически отсутствует традиционная усадка разовой модели. Высокая прочность льда по сравнению с традиционными органическими материалами.
5) Точность, стабильность размеров и трещиноустойчивость оболочек твердеющих в объеме уплотненного вибрацией и вакуумом песка вокруг модели, что повышает качество поверхности отливки [2], в отличие от традиционных оболочек, твердеющих послойно, что вызывает напряжения.
6) Наличие методов послойного 3D-намораживания ледяной модели (Rapid Freeze Prototyping), а также 3D-деформирования заготовки из порошкового льда по данным CAD файлов позволяет практически полностью автоматизировать ее получение.

Список литературы: